EP3463717B1

EP3463717B1 - Verfahren zum entkernen von gussteilen

Info

Publication number: EP3463717B1
Application number: EP17731262.6A
Authority: EP
Inventors: Lars HEIMBURG
Original assignee: Fill GmbH
Current assignee: Fill GmbH
Priority date: 2016-05-30
Filing date: 2017-05-30
Publication date: 2020-12-09
Anticipated expiration: 2037-05-30
Also published as: WO2017208065A1; EP3463717A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entkernen von gleichartigen, aus einer Metallschmelze gegossenen Gussteilen im Serienbetrieb, wobei in jedem Gussteil mindestens ein Kern zur Abbildung eines Formelements sitzt, bei dem es sich um eine Öffnung, einen Durchgang, einen Kanal, einen Hohlraum oder eine Ausnehmung handelt, und wobei der mindestens eine Kern aus einem Formstoff geformt ist, der bei einer Impulsbeaufschlagung, welche durch mindestens eine Klopfeinheit aufgebracht wird, in Bruchstücke zerfällt.
Beim Gießen von Gussteilen aus Metallschmelze werden Gießformen verwendet, die einen die äußere Kontur des Gussteils abbildenden Formhohlraum umgrenzen. Die Gießformen sind dabei entweder als Dauergießform aus Formteilen zusammengesetzt, die beim Entformen des Gussteils erhalten bleiben, oder als verlorene Gießformen ausgebildet, deren Formteile bei der Entformung des Gussteils zerstört werden.
Üblicherweise sind nicht nur an der Außenseite des Gussteils, sondern auch in dessen Innern komplex geformte Formelemente abzubilden. Ein typisches Beispiel hierfür sind Zylinderköpfe für Verbrennungsmotoren, in deren Inneren Kanäle für Öl oder Kühlmittel, Abgas- und Zuluftkanäle, Ventilöffnungen, Ausnehmungen zur Materialersparnis und desgleichen eingeformt werden müssen.
Zu diesem Zweck werden in die jeweilige Gießform entsprechend dem jeweiligen Formelement geformte Gießkerne eingelegt. Diese Gießkerne bestehen aus einem Formstoff, der aus einem Formsand, einem organischen oder anorganischen Binder und optionalen Zusatzstoffen gemischt ist. Beim für den Gießbetrieb fertig hergestellten Gießkern hält der Binder nach Art eines Klebers die Partikel des Formsands zusammen, so dass der Gießkern als formsteifes Gebilde gehandhabt werden kann.
Nach dem Erstarren der Metallschmelze sind die Gießkerne noch im Innern des Gussteils vorhanden und müssen in einem gesonderten Arbeitsschritt entfernt werden. Erleichtert werden kann dies dadurch, dass der Binder oder die Form des Gießkerns so ausgelegt werden, dass der Gießkern bereits in Folge der beim Abgießen und der Erstarrung der Metallschmelze sowie einer durchgeführten Wärmehandlung auftretenden thermischen und mechanischen Belastungen in Bruchstücke zerfällt. Sind diese Bruchstücke ausreichend klein, so können sie über am Gussteil vorhandene Öffnungen ausrieseln.
Da garantiert sein muss, dass die im Gussteil vorgesehenen Formelemente durchgängig und keine Formstoffrückstände vorhanden sind, die eine spätere Nutzung des Gussteils, insbesondere den Durchfluss von Fluiden durch das jeweilige Formelement, stören könnten, durchlaufen Gussteile regelmäßig eine Arbeitsstation, in der die im Gussteil noch vorhandenen Gießkerne oder Gießkernbruchstücke durch Beaufschlagung mit mechanischen Impulsen zumindest soweit vorzerkleinert werden, dass sie in kleinen Bruchstücken vorliegen, die selbsttätig aus dem Gussteil ausrieseln oder in einem erforderlichenfalls durchgeführten weiteren Entkernungsschritt problemlos aus dem Gussteil getrieben werden können. Die mechanischen Impulse bei dieser (Vor-)Entkernung werden üblicherweise mit Hilfe von in Form von Hämmern ausgebildeten Klopfeinheiten auf das Gussteil aufgebracht.
Bekannte Entkernungsmaschinen weisen ein stabiles Gestell auf, in dem in der Regel mehrere hydraulisch oder pneumatisch angetriebene Klopfeinheiten gehalten sind. Diese Klopfeinheiten wirken typischerweise aus vertikaler Richtung auf eine ihnen zugeordnete Seite des Gussteils ein. Als den Hammerschlägen ausgesetzte Seite wird dabei vorzugsweise diejenige des Gussteils gewählt, welche nach der Entkernung einer spanabhebenden Bearbeitung unterzogen wird, so dass die Auftreffmarken, die die Hammerschläge hinterlassen, am fertigen Gussteil nicht mehr vorhanden sind. Ergänzt werden können die von den Hammerschlägen aufgebrachten Schläge durch eine Rüttelbewegung, der das Gussteil ausgesetzt werden kann, um die Zerstörung der Gießkernreste und das Ausrieseln der dabei entstehenden kleinen Bruchstücke und Partikel aus dem Gussteil zu beschleunigen.
In konventionellen Entkernungsmaschinen sind die Hämmer üblicherweise an festen Positionen gleichmäßig über die Länge und Breite der ihnen zugeordneten Seite des zu entkernenden Gussteils verteilt ausgerichtet. Die von den Hämmern ausgeübten Schlagkräfte und ihre Schlagfrequenz können dabei nur mit hohem Aufwand in bestimmten Grenzen variiert werden, um ein optimales Entkernergebnis zu erhalten.
Beispiele für solche Entkernmaschinen sind beispielsweise in den Firmenprospekten "Das Hammerband - Fill corecracker belt" und "Die Entkernmaschine SWINGMASTER 315 KNOCKS" der FILL GESELLSCHAFT M.B.H., 4942 Gurten, Österreich, WWW.FILL.CO.AT, dargestellt. Bei dieser Maschine wird ein Rahmen mit den an ihm befestigten Schlagzylindern nach der manuellen oder automatischen Beschickung der Maschine nach unten verschwenkt, so dass er über dem Gussteil positioniert ist. Die Schlagzylinder leiten dann die von ihnen aufgebrachte Schlagenergie in das Gussteil, um die im Gussteil vorhandenen Kerne zu brechen. Danach schwenkt der Rahmen zurück in eine obere Stellung und die Gussteilspannvorrichtung, die das Gussteil trägt, wird in Schwingung versetzt. Die vorgebrochenen Sandkerne im Inneren des Gussteils werden in Folge der dabei auftretenden enormen Beschleunigungen zerkleinert und nach außen transportiert.
Entkernverfahren mit empirischen bzw. experimentellen Methoden zur Ermittlung der nötigen Einwirkenergie zum Zertrümmern des Kernes eines Gusswerkstückes sind aus der DE 37 28 687 A1 und der DE 10 2014 221 897 A1 bekannt.
Praktische Erfahrungen zeigen, dass sich mit der konventionellen Vorgehensweise bei der Entkernung zwar Entkernungsergebnisse erzielen lassen, die den üblichen Anforderungen entsprechen. Jedoch sind die dazu erforderlichen Schlagkräfte bei vielen Entkernaufgaben so hoch, dass sie zu einer nachhaltigen Beschädigung des zu entkernenden Gussteils führen können. Dies gilt insbesondere dann, wenn es sich um filigran geformte Bauteile, wie moderne Zylinderköpfe, handelt, deren Wandstärken in Folge der Leichtbauanforderungen immer weiter reduziert werden.
Vor diesem Hintergrund hat sich die Aufgabe ergeben, ein für die Serienfertigung geeignetes Verfahren anzugeben, mit dem sich Gussteile mit gesteigerter Effizienz betriebssicher entkernen lassen.
Die Erfindung hat diese Aufgabe durch das in Anspruch 1 angegebene Verfahren gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben und werden nachfolgend wie der allgemeine Erfindungsgedanke im Einzelnen erläutert.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient somit in Übereinstimmung mit dem eingangs erläuterten Stand der Technik zum Entkernen von gleichartigen, aus einer Metallschmelze gegossenen Gussteilen im Serienbetrieb, wobei in jedem Gussteil mindestens ein Kern zur Abbildung eines Formelements sitzt, bei dem es sich um eine Öffnung, einen Durchgang, einen Kanal, einen Hohlraum oder eine Ausnehmung handelt, und wobei der mindestens eine Kern aus einem Formstoff geformt ist, der bei einer Impulsbeaufschlagung, welche durch mindestens eine Klopfeinheit aufgebracht wird, in Bruchstücke zerfällt.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst dabei folgende Arbeitsschritte:

Bereitstellen einer mit mindestens einer Klopfeinheit bestückten Entkernmaschine,
bei der als Parameter der Impulsbeaufschlagung
die Auftreffposition der Klopfeinheit am Gussteil,
die Form der Auftrefffläche, mit der die Klopfeinheit auf das Gussteil trifft,
die Auftreffrichtung, aus der die Klopfeinheit auf das Gussteil trifft,
die Dauer der Impulsbeaufschlagung,
die Schlagfrequenz der Klopfeinheit,
die Schlagkraft der Klopfeinheit,
die Auftreffgeschwindigkeit der Klopfeinheit,
die Geometrie der Klopfeinheit
oder
die Masse der Klopfeinheit
jeweils alleine oder als Kombination aller oder bestimmter Parameter variierbar sind;
Durchführen einer Voruntersuchung, bei der jeweils derjenige Einstellwert für die Parameter der Impulsbeaufschlagung bestimmt wird, der innerhalb einer vorgegebenen Höchstdauer der Impulsbeaufschlagung zum Zerfall des Kerns in Bruchstücke mit einer Größe führt, die unter Berücksichtigung der kleinsten lichten Weite des Formelements ein freies Ausrieseln der Bruchstücke aus dem Gussteil gewährleistet;
Einrichten der Klopfeinheit der Entkernmaschine unter Berücksichtigung der in der Voruntersuchung ermittelten Einstellwerte für die Parameter der Impulsbeaufschlagung;
Aufnahme des Serienbetriebs, wobei die Klopfeinheit bei jedem der gleichartigen Gussteile unter Beibehaltung der in der Voruntersuchung ermittelten Einstellwerte für die Parameter der Impulsbeaufschlagung betrieben wird, und
Im Rahmen der Voruntersuchung zunächst anhand einer analytischen Betrachtung, die durch eine Computersimulation unterstützt erfolgt, ermittelt wird, aus welcher Richtung und in welcher Weise der Impuls gesetzt werden muss, um innerhalb kürzester Zeit eine Zerlegung des betreffenden Kerns zu erreichen.

Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass sich durch eine gezielte, individuell auf die jeweilige Entkernungsaufgabe abgestimmte Impulsbeaufschlagung des Gussteils die Entkernung wesentlich effektiver bewirken lässt als bei einer konventionellen Entkernung, bei der unabhängig vom jeweiligen Gussteil standardmäßig angeordnete Klopfeinheiten verwendet werden, deren einzige Variationsmöglichkeit in der Verstellung der in einer festen Beziehung stehenden Schlagkraft und Schlagfrequenz besteht.
Die Erfindung schlägt deshalb vor, in einer Voruntersuchung anhand einer Simulation oder konkreter Versuche zu ermitteln, wo und in welcher Weise auf das jeweilige Gussteil geschlagen werden muss, um die im Gussteil sitzenden Kerne zu zerstören. Die dabei ermittelten Parameter der Schlagbeaufschlagung erlauben es dann, die Schlagimpulse gezielt so zu setzen, dass eine maximale Wirkung erzielt wird.
Die Voruntersuchungen können dabei beispielsweise unter Berücksichtigung folgender einzeln oder in bestimmten Kombinationen miteinander herangezogenen Maßgaben zur Optimierung des Entkernungsergebnisses durchgeführt werden:

a) Der zu zerbrechende Bereich sollte möglichst durch eine ununterbrochene Kraftwirkungslinie mit dem Auftreffpunkt des Klopfdorns der Klopfeinheit verbunden sein.
b) Die pro Klopfschlag aufgebrachte absolute Schlagkraft und für die pro Klopfschlag auf die Auftrefffläche bezogene Schlagkraft soll bei optimiertem Entkernergebnis minimiert sein.
c) Der zu zerbrechende Bereich soll durch Wahl einer geeigneten Positionierung und Formgebung der Klopfeinheit möglichst nahe am Auftreffpunkt liegen. Dies erlaubt es, die Bedingung b) optimal zu erfüllen.
d) Die Gesamtenergie soll minimiert werden. Versuche haben hier gezeigt, dass es beim Einsatz von druckluftbetriebenen Klopfeinheiten mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich ist, den Druckluftverbrauch auf bis zu ein Drittel des Verbrauchs einer herkömmlich betriebenen Entkernmaschine zu senken.
e) Als grafische Hilfsmittel können 2D- und 3D-Zeichnungen zur Identifikation und Validierung der Auftreffpunkte mittels Kraftlinien verwendet werden. Mit Hilfe analytischer (mathematischer) Verfahren kann die Größenordnung der benötigten Impulse hergeleitet werden. Hierzu können Erfahrungswerte hinzugezogen werden.
f) Die zu erwartenden Entkernergebnisse werden anhand von Simulationen abgeschätzt oder verifiziert.

Die Impulsbeaufschlagung erfolgt bei einer erfindungsgemäß betriebenen Entkernmaschine durch Klopfeinheiten, die Klopfschläge auf das zu entkernende Gussteil ausüben. Die Erfindung erlaubt es dabei, die Impulsbeaufschlagung derart durchzuführen, dass eine zusätzliche schwingende Kraftbeaufschlagung des gesamten Gussteils, wie sie im Stand der Technik regelmäßig durchgeführt wird, nicht erforderlich ist.
Die erfindungsgemäß betrachteten Parameter der Impulsbeaufschlagung können sämtliche Einflussgrößen sein, die sich auf die Wirkung der Klopfeinheitenschläge auswirken Hierzu zählen neben der Schlagkraft und der Schlagfrequenz insbesondere die individuelle Dauer der Impulsbeaufschlagung sowie die Auftreffposition der Klopfeinheit. So hat sich gezeigt, dass sich durch die exakte Ermittlung der optimalen Auftreffposition die Schläge gezielt so auf das Gussteil ausrichten lassen, dass der dadurch in das Gussteil eingetragene Impuls den jeweils zu zerstörenden Kern an seiner für die angestrebte Zerstörung empfindlichsten Stelle trifft. Weiter erhöht werden kann die Wirkung der von der jeweiligen Klopfeinheit ausgeübten Schläge dabei beispielsweise dadurch, dass die Form der Auftrefffläche, mit der die Klopfeinheit an geeigneter Auftreffposition auf das Gussteil trifft, so geformt wird, dass der Impuls besonders konzentriert auf eine begrenzte Fläche des Gussteils wirkt. Die Parameter "Energie", "Kraft" und "Frequenz" können dabei klar definiert und ohne Einschränkung so gewählt und variiert werden, dass ein optimales Entkernergebnis erzielt wird.
Ausgehend vom Ergebnis der erfindungsgemäß durchgeführten Voruntersuchung werden die Anordnung der Klopfeinheiten und die Parameter der durch sie erfolgenden schlagenden Impulsbeaufschlagung festgelegt, Diese Parameter werden dann beim anschließend einsetzenden Serienbetrieb beibehalten.
Die Parameter der schlagenden Bearbeitung werden dabei optimalerweise so gewählt, dass der aus dem Gussteil ausrieselnde oder von ihm abfallende Formstoff weitestgehend fein zerfallen ist. Insbesondere erweist es sich hier als vorteilhaft, wenn der aus dem Gussteil austretende Sand keine größeren, fest zusammenhängenden Bestandteile enthält, sondern im Wesentlichen vollständig aus vereinzelten Körnern besteht.
Um eine einfache Anpassung der Formgebung der Auftrefffläche, mit der die jeweilige Klopfeinheit auf das Gussteil wirkt, zu ermöglichen, kann die betreffende Klopfeinheit einen im Entkernbetrieb auf das Gussteil wirkenden, austauschbaren Klopfdorn aufweisen, an dem die Klopfauftrefffläche ausgebildet ist.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Parameter der schlagenden Beaufschlagung durch die jeweilige Klopfeinheit über eine große Bandbreite variiert werden können.
Dabei geht die Erfindung von dem Ansatz aus, dass die für die Zerstörung des jeweiligen Kerns im Gussteil benötigte Energie nicht durch maximal hohe Schlagkräfte auf das zu entkernende Gussteil aufgebracht wird, sondern durch eine sowohl vom Ort der Einwirkung als auch von der Art der Einwirkung des Schlages optimierte Impulsbeaufschlagung. Dies erlaubt es, mit geringen Schlagenergien und hohen Schlagfrequenzen den jeweiligen Kern zu zerstören. Die Gefahr einer Beschädigung des Gussteils durch die auf ihn wirkenden Schläge ist dementsprechend minimiert.
Die von einer betriebenen Klopfeinheit aufgebrachte Schlagenergie kann beispielsweise mindestens 1 Joule, insbesondere mehr als 1 Joule, wie beispielsweise mindestens 2 Joule oder mehr, betragen, wobei die Schlagenergien typischerweise im Bereich von 1 - 10 Joule liegen.
Typische Schlagfrequenzen, die bei erfindungsgemäßer Vorgehensweise ermöglicht werden, liegen bei mindestens 30 Hz, insbesondere mehr als 30 Hz, wobei regelmäßig Schlagfrequenzen von mehr als 50 Hz erreicht werden. Typische Schlagfrequenzen liegen in der Praxis im Bereich von 30 - 100 Hz.
Dabei können die Schlagfrequenz und Schlagenergie unabhängig voneinander variiert werden, so dass für jeden Anwendungsfall ein optimaler Betriebspunkt bestimmt werden kann, Genauso ist es jedoch auch möglich, für die Schlagfrequenz und die Schlagenergie eine bestimmte Abhängigkeit zu definieren, so dass bei Veränderung des einen Parameters der andere Parameter automatisch nachgezogen wird. Insgesamt ist es mit der Erfindung möglich, den Gesamtaufwand der für die Entkernung erforderlichen schlagenden Bearbeitung so zu optimieren, dass die erfindungsgemäß eingesetzte Entkernmaschine bei gleichem oder besserem Arbeitsergebnis weniger leistungsfähig und dementsprechend kostengünstiger ausgelegt werden kann, Auch der von einer erfindungsgemäß betriebenen Entkernmaschine in Anspruch genommene Bauraum ist geringer, so dass sie sich auch unter beengten Platzverhältnissen betriebssicher einsetzen lässt.
Eine Einstellbarkeit der von der Klopfeinheit ausgeübten dynamischen Kräfte bei gleichzeitig optimierter Kraftbeaufschlagung kann dadurch auf besonders effektive Weise ermöglicht werden, dass die Klopfeinheit pneumatisch oder hydraulisch betrieben ist.
Eine laufende Steuerung der Funktion der jeweiligen Klopfeinheit kann dadurch bewerkstelligt werden, dass bei der Entkernmaschine eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, die den Betrieb der Klopfeinheit nach Maßgabe der bei der Voruntersuchung ermittelten Einstellwerte der Parameter der Impulsbeaufschlagung steuert.
Abhängig von der Entkernungsaufgabe kann es ausreichen, wenn mit einer einzigen Klopfeinheit in erfindungsgemäßer Weise auf das Gussteil eingewirkt wird. In den meisten Anwendungsfällen wird es aber wegen der Größe des zu entkernenden Gussteils und der Komplexität der Anordnung der in ihm vorhandenen, zu entfernenden Gießkerne erforderlich sein, dass die Entkernmaschine zwei oder mehr Klopfeinheiten umfasst, wobei dann für jeden dieser Klopfeinheiten die voranstehend bereits im Zusammenhang mit einer einzelnen Klopfeinheit erläuterten Maßgaben und Ausgestaltungen zur Anwendung kommen können. Sollen zwei oder mehr Klopfeinheiten zum Einsatz kommen, so erfolgt demnach die Ermittlung der Parameter der Impulsbeaufschlagung und ihre Festlegung ebenfalls optimalerweise individuell pro Klopfeinheit.
Hier zeigt sich, dass es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betriebssicher möglich ist, auch solche Gussteile zu entkernen, die bisher als schwer oder nicht betriebssicher entkernbar galten. Gleichzeitig stellt sich bei gut entkernbaren Gussteilen ein deutlicher Geschwindigkeitszuwachs bei der Entkernung ein. Insgesamt führt daher das erfindungsgemäße Verfahren zu einer deutlichen Steigerung der Produktivität.
Besonders vorteilhaft ist es im Fall, dass zwei oder mehr Klopfeinheiten vorgesehen sind, wenn für jeden der Klopfeinheiten die Parameter der Impulsbeaufschlagung individuell einstellbar sind, so dass jede Klopfeinheit eine optimale Wirkung in Bezug auf die Entkernaufgabe entfalten kann. So kann es beispielsweise zweckmäßig sein, wenn die Klopfeinheiten aus unterschiedlichen Richtungen auf das Gussteil wirken, um die jeweils zu zerstörenden Gießkerne aus unterschiedlichen Wirkrichtungen mit Impulsen zu penetrieren.
Die Geometrie der jeweiligen Klopfeinheit kann insgesamt an die Bearbeitungsaufgabe angepasst sein. So kann es zweckmäßig sein, den Klopfdorn der jeweiligen Klopfeinheit oder die Klopfeinheit als Ganzes lang und schlank auszubilden, wenn tiefliegende Auftreffflächen am oder im jeweils zu entkernenden Gussteil erreicht werden sollen.
Wenn es sich bei dem Gussteil um einen Zylinderkopf, einen Motorblock oder desgleichen handelt, wird bevorzugt auf diejenige Seite des Gussteils geschlagen, die nach dem Entkernen einer spanabhebenden Bearbeitung unterzogen wird, um definierte Anlageflächen für das jeweilige Anbauteil zu schaffen. Es ist jedoch grundsätzlich genauso möglich, von anderen Seiten her auf geeignete Auftreffflächen an dem Gussteil einzuwirken.
Die durch die Erfindung erzielte Effizienzsteigerung ist erheblich. So ist es mit der Erfindung nicht nur möglich, Teile mit sicherem Erfolg zu entkernen, die bisher nicht oder nur mit der Gefahr einer Zerstörung in Folge von zu hohen Schlagkräften entkernt werden konnten, sondern der dafür erforderliche Energie- bzw. Luftbedarf ist deutlich gegenüber konventionellen Maschinen vermindert. Hinzukommt, dass sich bestehende Maschinen mit vergleichbar kleinem Aufwand in erfindungsgemäße Maschinen umrüsten lassen.
Die Entkernmaschine kann mit einer Steuereinrichtung verkoppelt werden, die die erforderliche Einstellung der Parameter der Impulsbeaufschlagung per Datenfernübertragung vornimmt. Erforderlichenfalls kann die Steuereinrichtung mit einer Erfassungs- und Auswerteinrichtung verkoppelt werden, die die aktuellen Betriebsdaten der Entkernmaschine erfasst, auswertet, mit einem oder mehreren Sollwerten vergleicht und in Abhängigkeit vom Ergebnis des jeweiligen Vergleichs eine Justierung des jeweils betrachteten Betriebsparameters vornimmt. So lässt sich mittels einer geeigneten Steuerung, Messdatenerfassung und Messdatenauswertung die Entkernmaschine beispielsweise automatisch in Abhängigkeit von der Temperatur oder vom Erstarrungszustand des Gussteils betreiben.
Für die Einbindung des erfindungsgemäßen Verfahrens in die Serienfertigung kann es sich als zweckmäßig erweisen, wenn ein Roboterarm die Gussteile zur Entkernung an die Entkernmaschine übergibt und nach der Entkernung aus der Entkernmaschine entnimmt. Dies hat den Vorteil, dass der Roboterarm aufgrund der ihm eigenen Beweglichkeit das Gussteil jeweils selbsttätig aus einem Lager oder von einer Transporteinrichtung entnehmen und in die jeweils erfindungsgemäß ausgerüstete und betriebene Entkernmaschine einlegt, dass die erfindungsgemäße Entkernung ohne gesonderte Richtvorgänge unmittelbar nach dem Einlegen beginnen kann.
Besonders geeignet ist das erfindungsgemäße Verfahren für die Entkernung von Gussteilen, die aus Leichtmetall oder einer Leichtmetalllegierung gegossen sind. Dabei hat sich die Erfindung insbesondere beim Entkernen von komplex geformten Gussteilen bewährt, in deren Inneren filigrane Formelemente, wie Kanäle mit einem gegenüber ihrer Länge sehr kleinen, gegebenenfalls wechselnden Durchmesser, mit einem vielfach gewinkelten Verlauf im Gussteil geführt sind. Typische Beispiele für derartige Gussteile sind Zylinderköpfe, Motorblöcke oder sonstige Bauteile, wie Turboladergehäuse, von Verbrennungsmotoren.
Abhängig vom Grad der Formkomplexität der im zu entkernenden Gussteil vorhandenen, durch die jeweils zu entfernenden Gießkerne abgebildeten Formelemente kann es erforderlich sein, wie im Stand der Technik die Entkernung in zwei oder mehr Schritten durchzuführen. Eine solche Schrittfolge kann mit einem als Vorentkernen durchgeführten erfindungsgemäßen Entkernen beginnen, wobei sich an dieses Vorentkernen mindestens eine weitere Entkernungsbehandlung anschließt, um in den Gussteilen jeweils noch vorhandene, im Zuge der Vorentkernung entstandene Gießkernbruchstücke aus dem Gussteil zu entfernen. Bei dieser anschließenden Entkernungsbehandlung kann das Gussteil beispielsweise gerüttelt werden, um das Ausrieseln der Gießkernbruchstücke zu beschleunigen. Ergänzend oder alternativ können die Gussteile auch mit einem Spülfluid, beispielsweise einer Spülflüssigkeit oder einem Spülgas, wie Druckluft, gespült werden, um restliche Partikel aus den im Inneren des Gussteils durch die zu entfernenden Gießkerne abgebildeten Formelementen zu entfernen.
Besonders eignet sich die erfindungsgemäße Vorgehensweise auch für die Entkernung von Gussteilen, deren Gießkerne durch einen anorganischen Binder gebunden sind. Solche Binder erweisen sich in der Praxis als vergleichbar zäh klebend. Bei konventioneller Vorgehensweise ist daher eine verglichen mit organisch gebundenen Gießkernen deutlich längere Einwirkdauer der Impulsbeaufschlagung für die Entkernung erforderlich. Mit der Erfindung gelingt es, auch durch anorganische Binder gebundene Gießkerne schnell und zielgerichtet zu zerstören.
Mit der Erfindung steht somit ein Verfahren zur Verfügung, mit dem sich in der Serienfertigung mit gesteigerter Effizienz Gussteile entkernen lassen, die einen Kern aus Formstoff aufweisen, der bei Impulsbeaufschlagung in Bruchstücke zerfällt. Erfindungsgemäß werden zu diesem Zweck folgende Arbeitsschritte absolviert:

Bereitstellen einer Entkernmaschine mit einer Klopfeinheit, bei der als Parameter der Impulsbeaufschlagung die Auftreffposition, die Form der Auftrefffläche, die Auftreffrichtung, die Dauer der Impulsbeaufschlagung, die Schlagfrequenz, die Schlagkraft, die Auftreffgeschwindigkeit, die Geometrie oder die Masse der Klopfeinheit jeweils alleine oder als Kombination aller oder bestimmter Parameter variierbar sind;
Durchführen einer Voruntersuchung zur Bestimmung von Einstellwerten für die Parameter einer Impulsbeaufschlagung, bei der innerhalb einer vorgegebenen Höchstdauer die Impulsbeaufschlagung zum Zerfall des Kerns in Bruchstücke mit einer Größe führt, die ein freies Ausrieseln der Bruchstücke aus dem Gussteil gewährleistet;
Einrichten der Klopfeinheit unter Berücksichtigung der in der Voruntersuchung ermittelten Einstellwerte derart, dass die Parameter der Impulsbeaufschlagung eingehalten werden;
Aufnahme des Serienbetriebs, wobei die Klopfeinheit bei jedem der gleichartigen Gussteile unter Beibehaltung der ermittelten Einstellwerte betrieben wird.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wiedergibt, Die Figuren dieser Zeichnung zeigen im Einzelnen jeweils schematisch:

Fig. 1: eine Entkernungsmaschine in einer frontalen Ansicht;
Fig. 2: die Entkernungsmaschine in einer seitlichen Ansicht;
Fig. 3: die Entkernungsmaschine in einer Ansicht von oben;
Fig. 4: ein Gussteil in einer perspektivischen, teilweise aufgeschnittenen Ansicht von unten gesehen.

Die Entkernmaschine 1 umfasst ein Gestell 2 mit vier in den Ecken eines gedachten Rechtecks angeordneten Säulen 3. Die Säulen 3 stehen auf einer Grundplatte 4 der Entkernmaschine 1 und tragen eine rechteckige Deckplatte 5, die in ihren Eckbereichen jeweils auf einer der Säulen 3 abgestützt ist. Auf der Deckplatte 5 sind in deren Längsrichtung in gleichmäßigen Abständen angeordnet drei Stellzylinder 6 angeordnet, deren Zylinderstangen 8 durch in die Deckplatte 5 eingeformte Öffnungen hindurch in den von dem Gestell 2 umgrenzten Raum reichen. Die Zylinderstangen 8 tragen gemeinsam eine Montageplatte 7, die an den freien Enden der Zylinderstangen 8 hängt. Die Montageplatte 7 kann so durch entsprechende Beaufschlagung der Stellzylinder 6 zwischen einer Wartestellung, in der sie nahe der Deckplatte 5 angeordnet ist, um Raum für das Einfahren eines Gussteils G das Gestell 2 zu schaffen, in eine demgegenüber abgesenkte Arbeitsstellung verstellt werden, in der sie die Entkernungsbearbeitung des Gussteils G durchführen.
An der der Grundplatte 4 zugeordneten Unterseite der Montageplatte 7 sind mehrere, beispielsweise acht, pneumatisch betriebene Klopfeinheiten 9 befestigt, die nach konventionellem Baumuster ausgebildet sind.
Die Klopfeinheiten 9 tragen an ihrem der Grundplatte 4 zugeordneten Ende jeweils einen Klopfdorn 10, Die Klopfdorne 10 sind an der Stößelstange der jeweiligen Klopfeinheit 9 austauschbar befestigt Jede Klopfeinheit 9 kann so mit einem individuell geformten Klopfdorn 10 bestückt werden Die Klopfdorne 10 der Klopfeinheiten 9 können dementsprechend unterschiedlich sein.
Die Schlagrichtung S der Klopfeinheiten 9 ist beim hier gezeigten Ausführungsbeispiel senkrecht zur ebenen Oberseite der Grundplatte 4 ausgerichtet. Erforderlichenfalls kann die Schlagrichtung S jedoch auch von der Senkrechten V zur Grundplatte 4 abweichenden Richtung ausgerichtet werden.
Der Betrieb der Klopfeinheiten 9 wird von einer am Gestell 2 befestigten Steuereinrichtung 11 gesteuert, die an eine hier der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellte Druckluftversorgung angeschlossen ist. Die Klopfeinheiten 9 sind dazu über jeweils eine Druckluftleitung 14 mit der Steuereinrichtung 11 verbunden. Die Steuereinrichtung 11 kann zusätzlich über hier ebenfalls der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellte Signalleitungen mit den Sensoren verbunden sein, die für den Betrieb der Klopfeinheiten 9 wesentliche Funktionen überwachen.
Die Steuereinrichtung 11 kann die Funktion jeder einzelnen der Klopfeinheiten 9 individuell steuern. Sofern eine Gruppe von zwei oder mehr Klopfeinheiten 9 in gleicher Weise betrieben werden soll, kann die Steuereinrichtung 11 jedoch auch so betrieben werden, dass sie die Funktion dieser Gruppe von Klopfeinheiten 9 gemeinsam steuert.
Über die Steuereinrichtung 11 können so für jeden der Klopfeinheiten 9 die Schlagfrequenz, die Schlagkraft oder die Auftreffgeschwindigkeit, mit der die jeweilige Klopfeinheit 9 auf das zu entkernende Gussteil G trifft, gesteuert werden.
Bei dem Gussteil G handelt es sich im vorliegenden Beispiel um einen aus einer Al-Legierung gegossenen Zylinderkopf für einen beispielsweise vierzylindrigen Verbrennungsmotor. Im Inneren des Gussteils G sind durch Gießkerne, die aus einem mittels eines anorganischen Binders gebundenen Formsand geformt sind, filigran geformte Formelemente, wie Kanäle K für Kühlwasser oder Öl, Abgaskanäle A, Luftansaugkanäle L, abgebildet Die Kanäle K verlaufen dabei typischerweise vielfach abgewinkelt zwischen der Deckfläche D, mit der das Gussteil G im Gebrauch auf einem Motorblock des jeweiligen Motors sitzt, und einer Oberseite O des Gussteils G, an der beispielsweise die Lager für eine Nockenwelle und desgleichen ausgebildet sind
Zum Entkernen wird das jeweilige Gussteil G mittels eines hier der Übersichtlichkeit halber ebenfalls nicht gezeigten, in allen Freiheitsgraden beweglichen Roboterarm auf einen Schlitten 12 der Entkernmaschine 1 gesetzt, der sich zu diesem Zeitpunkt in einer seitlich vom Gestell 2 angeordneten Übernahmeposition Ü befindet. Der Schlitten 12 kann mittels eines Linearantriebs automatisch zwischen der Übernahmeposition Ü und einer im Gestell angeordneten Entkernposition auf einer Schienenführung 13 hin und her bewegt werden, die auf der Grundplatte 4 montiert ist. Das Gussteil G wird dabei so auf den Schlitten 12 gesetzt, dass es mit seiner Oberseite O auf dem Schlitten 12 liegt und seine Deckfläche D frei nach oben gerichtet ist.
Wenn der Schlitten 12 die Entkernposition erreicht hat, ist das jeweils auf dem Schlitten 12 sitzende Gussteil G in Bezug auf die Klopfeinheiten 9 exakt so ausgerichtet, dass die Klopfeinheiten 9 im Entkernbetrieb mit den Klopfauftreffflächen ihrer Klopfdorne 10 sicher auf die ihnen jeweils zugeordnete Auftreffposition P an der Deckfläche D des Gussteils G treffen und dabei jeweils einen Impuls auf den zugeordneten Abschnitt des Gussteils G ausüben.
Die diesen Impuls bestimmenden Parameter "Auftreffposition P am Gussteil G", "Form der Klopfauftrefffläche", "Auftreffrichtung", "Schlagfrequenz", "Dauer der Impulsbeaufschlagung", "Schlagkraft", "Auftreffgeschwindigkeit", "Geometrie der Klopfeinheit" und "Masse" werden für jeden der Klopfeinheiten 9 individuell in einer Voruntersuchung bestimmt.
Im Rahmen dieser Voruntersuchung soll zunächst anhand einer analytischen Betrachtung, die beispielsweise durch eine Computersimulation unterstützt erfolgen kann, ermittelt werden, aus welcher Richtung und in welcher Weise der Impuls gesetzt werden muss, um beispielsweise unter Berücksichtigung der Masseverteilung des Gussteils G sowie der Form, der Größe und des Verlaufs des zu zerstörenden Kerns im jeweils betrachteten Gussteilabschnitt, innerhalb kürzester Zeit eine Zerlegung des betreffenden Kerns zu erreichen. Das Ergebnis dieser Simulation kann eine Auftreffposition P am Gussteil G, eine bestimmte Form der Auftrefffläche der Klopfeinheit 9 (kleine Auftrefffläche = hoch konzentrierte Einbringung des Impulses, große Auftrefffläche = breitere Verteilung des Impulses), eine bestimmte Schlagfrequenz, eine bestimmte Schlagkraft, eine bestimmte Auftreffrichtung, eine bestimmte Form oder eine bestimmte Masse der betrachteten Klopfeinheit 9 sein, wobei das Ergebnis der Analyse selbstverständlich auch in einer Kombination dieser die jeweilige Impulsbeaufschlagung bestimmenden Parameter bestehen kann.
Anschließend kann das Ergebnis der Analyse in praktischen Versuchen an Probe-Gussteilen G verifiziert und soweit verfeinert werden, bis innerhalb einer optimal kurzen Entkernungsdauer eine maximale Zerstörung der im Gussteil G sitzenden Gießkerne in möglichst kleine Bruchstücke, insbesondere zum weitaus überwiegenden Teil in einzelne Sandkörner, erreicht ist, die selbsttätig aus dem Gussteil G rieseln können,
Die voranstehend erläuterte Kombination aus theoretischen und praktischen Voruntersuchungen zur Ermittlung der Impulsparameter ergibt optimal abgesicherte Ergebnisse. Abhängig von der Praxisnähe der Simulation oder in Fällen, in denen der mit den praktischen Versuchen verbundene Aufwand vergleichbar gering ist, ist es jedoch selbstverständlich auch möglich, nur eine Simulation oder nur praktische Versuche durchzuführen, um die jeweils optimalen Parameter der Impulsbeaufschlagung zu bestimmen,
Nach den Vorversuchen werden die Klopfeinheiten 9 mit entsprechend den Ergebnissen der Vorversuche beispielsweise hinsichtlich ihrer Masse ausgelegten und hinsichtlich ihrer Klopfauftrefffläche gestalteten Klopfdornen 10 bestückt, entsprechend der ihnen jeweils zugeordneten Auftreffposition am Gussteil G an der Montageplatte 7 befestigt und entsprechend der als optimal ermittelten Auftreffrichtung ausgerichtet.
Ebenso wird die Steuereinrichtung 11, beispielsweise durch Programmierung einer zu ihr gehörenden und ihre Funktionsweise bestimmenden Computereinheit, entsprechend den in den Vorversuchen jeweils ermittelten optimalen Betriebsparametern "Schlagfrequenz", "Schlagkraft" und/oder "Auftreffgeschwindigkeit" justiert.
Im anschließend einsetzenden Serienbetrieb werden diese Parameter der Impulsbeaufschlagung für jeden der Klopfeinheiten 9 und jedes der gleichartigen zu entkernenden Gussteile G aufrechterhalten.
Für die Entkernung wird das Gussteil G vom Roboterarm auf den in der Übernahmeposition stehenden Schlitten 12 gesetzt, vom Schlitten 12 in die Entkernposition im Gestell 2 bewegt, dort von den Klopfeinheiten 9 mit den jeweils von ihnen aufgebrachten Impulsen beaufschlagt, nach Ende der Impulsbeaufschlagung zurück an die Übergabeposition Ü transportiert und dort vom Roboterarm wieder übernommen

BEZUGSZEICHEN

1: Entkernmaschine
2: Gestell der Entkernmaschine 1
3: Säulen der Entkernmaschine 1
4: Grundplatte der Entkernmaschine 1
5: Deckplatte der Entkernmaschine 1
6: Stellzylinder
7: Montageplatte der Entkernmaschine 1
8: Zylinderstangen der Stellzylinder 6
9: Klopfeinheiten
10: jeweiliger Klopfdorn der Klopfeinheiten 9
11: Steuereinrichtung
12: Schlitten
13: Schienenführung
14: Druckluftleitung

A: Abgaskanäle im Gussteil G
D: Deckfläche des Gussteils G
G: jeweils zu entkernendes Gussteil
K: Kanäle für Kühlwasser oder Öl im Gussteil G
L: Luftansaugkanäle im Gussteil G
O: Oberseite des Gussteils G
P: Auftreffpositionen an der Deckfläche D
S: Schlagrichtung der Klopfeinheiten 9
Ü: Übergabeposition
V: Senkrechte zur Grundplatte 4

Claims

Verfahren zum Entkernen von gleichartigen, aus einer Metallschmelze gegossenen Gussteilen (G) im Serienbetrieb, wobei in jedem Gussteil (G) mindestens ein Kern zur Abbildung eines Formelements (A,K,L) sitzt, bei dem es sich um eine Öffnung, einen Durchgang, einen Kanal, einen Hohlraum oder eine Ausnehmung handelt, und wobei der mindestens eine Kern aus einem Formstoff geformt ist, der bei einer Impulsbeaufschlagung, welche durch mindestens eine Klopfeinheit (9) aufgebracht wird, in Bruchstücke zerfällt, umfassend folgende Arbeitsschritte:
- Bereitstellen einer mit mindestens einer Klopfeinheit (9) bestückten Entkernmaschine (1), bei der als Parameter der Impulsbeaufschlagung
- die Auftreffposition der Klopfeinheit (9) am Gussteil (G),

- die Form der Auftrefffläche, mit der die Klopfeinheit (9) auf das Gussteil (G) trifft,

- die Auftreffrichtung, aus der die Klopfeinheit (9) auf das Gussteil (G) trifft,

- die Dauer der Impulsbeaufschlagung,

- die Schlagfrequenz der Klopfeinheit (9),

- die Schlagkraft der Klopfeinheit (9),

- die Auftreffgeschwindigkeit der Klopfeinheit (9),

- die Geometrie der Klopfeinheit (9)
oder

- die Masse der Klopfeinheit (9)
jeweils alleine oder als Kombination aller oder bestimmter Parameter variierbar sind;

- Durchführen einer Voruntersuchung, bei der jeweils derjenige Einstellwert für die Parameter der Impulsbeaufschlagung bestimmt wird, der innerhalb einer vorgegebenen Höchstdauer der Impulsbeaufschlagung zum Zerfall des Kerns in Bruchstücke mit einer Größe führt, die unter Berücksichtigung der kleinsten lichten Weite des Formelements (A,K,L) ein freies Ausrieseln der Bruchstücke aus dem Gussteil (G) gewährleistet;

- Einrichten der Klopfeinheit (9) der Entkernmaschine (1) unter Berücksichtigung der in der Voruntersuchung ermittelten Einstellwerte für die Parameter der Impulsbeaufschlagung;

- Aufnahme des Serienbetriebs, wobei die Klopfeinheit (9) bei jedem der gleichartigen Gussteile (G) unter Beibehaltung der in der Voruntersuchung ermittelten Einstellwerte für die Parameter der Impulsbeaufschlagung betrieben wird,
dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen der Voruntersuchung zunächst anhand einer analytischen Betrachtung, die durch eine Computersimulation unterstützt erfolgt, ermittelt wird, aus welcher Richtung und in welcher Weise der Impuls gesetzt werden muss, um innerhalb kürzester Zeit eine Zerlegung des betreffenden Kerns zu erreichen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Klopfeinheit (9) einen im Entkernbetrieb auf das Gussteil (G) wirkenden, austauschbaren Klopfdorn (10) aufweist, an dem die Klopfauftrefffläche ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Klopfeinheit (9) pneumatisch oder hydraulisch betrieben ist.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinrichtung (11) vorgesehen ist, die den Betrieb der Klopfeinheit (9) nach Maßgabe der bei der Voruntersuchung ermittelten Einstellwerte der Parameter der Impulsbeaufschlagung steuert.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entkernmaschine (1) zwei oder mehr Klopfeinheiten (9) umfasst und für jeden der Klopfeinheiten (9) die Parameter der Impulsbeaufschlagung individuell ermittelt und eingestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Klopfeinheiten (9) aus unterschiedlichen Richtungen auf das Gussteil (G) wirken.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Roboterarm die Gussteile (G) zur Entkernung an die Entkernmaschine (1) übergibt und nach der Entkernung aus der Entkernmaschine (1) entnimmt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gussteile (G) aus Leichtmetall oder einer Leichtmetalllegierung gegossen sind.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gussteile (G) Bauteile für Verbrennungsmotoren sind.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlagfrequenz der Klopfeinheit (9) mehr als 30 Hz, insbesondere mehr als 50 Hz, beträgt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlagenergie der Klopfeinheit (9) mindestens 1 Joule, insbesondere 1-10 Joule, beträgt.